基于工作流的多无人飞行器协同方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于工作流的多无人飞行器协同方法和系统。参与协同的所有无人飞行器在协同之前，设置相同的工作流、决策方法和战场态势，其中，工作流中的活动分为两类：协同决策类型和单机任务规划类型。开始协同后，工作流管理设备管理活动的迁移。无人飞行器协同决策时，首先同步所有参与协同的无人飞行器的战场态势，然后决策，保证了所有无人飞行器的决策结果一致，达到无需协商决策结果，实现协同的目的。协同系统包括工作流管理设备(1)、决策规划设备(2)、无线射频设备(3)、天线(4)、感知设备(5)、战场态势分析与维护设备(6)、单机任务执行设备(7)。本发明优点是协同交互信息单一，协同过程简单，协同收敛速度快。
【专利说明】基于工作流的多无人飞行器协同方法及系统
[0001]
【技术领域】
:
本发明属于多无人飞行器协同作战领域，具体涉及协同作战的协同方法和协同系统。
[0002]【背景技术】:
在复杂多变的信息化战场环境下，单个无人飞行器执行侦察或攻击等任务时面临侦察角度和范围、杀伤半径和摧毁能力等诸方面的限制，制约了作战效能的发挥。多无人飞行器协同作战是根据作战目的，组织多无人飞行器协同实施作战行动，对敌目标进行协同搜索、跟踪、攻击和防御，其中，多无人飞行器间的有效协同是提升整体作战效能的关键，而协同方法和系统是协同的基础。因此，协同方法和系统是研究多无人飞行器协同作战的最重要的内容。
[0003]目前，多无人飞行器协同作战过程中所采用的协同方法主要有:基于地面控制站的协同方法、基于中心节点的协同方法、基于多无人飞行器间协商的协同方法。
[0004]基于地面控制站的协同方法，由地面控制站进行协同决策和控制，其过程是无人飞行器将感知到的战场态势实时传回地面控制站，地面控制站根据战场态势，决策各无人飞行器的行动，并控制和指挥各无人飞行器的动作，因此，这种由地面控制站决策和控制的协同行为，并不是无人飞行器间直接的协同。当无人飞行器需要远离地面控制站协同作战时，这种基于地面控制站的协同方法不再适用；另外，这种方法需要无人飞行器传递战场态势信息给地面控制站，由地面控制站决策后，才将决策和控制信息传回给各无人飞行器，这往往会导致无人飞行器的决策和行动延迟，难以跟上战场态势的迅速发展，从而限制了整体作战效能的提升。
[0005]基于中心节点的协同方法，选择参与协同的无人飞行器中的一个无人飞行器作为中心节点，所有无人飞行器感知到的战场态势都传递给中心节点，由中心节点统一作决策，并指挥与控制所有其他无人飞行器的行为。这种方法不需要地面控制站，但在战场环境下，可能会频繁发生中心节点失效或被击落的情况，导致增加大量重新选择中心节点的时间，从而严重延迟了决策时机以及无人飞行器的反应时间，难以实现有效的协同。
[0006]基于多无人飞行器间协商的协同方法，每个无人飞行器都有一定的决策能力，每个无人飞行器根据所感知到的局部战场态势，进行决策，然后，多无人飞行器间就决策结果进行协商，协商一致后才实施行动，完成协同作战。在这种方法中，由于各无人飞行器所感知到的局部战场态势存在差异，不同决策者作出的决策结果可能不一致甚至冲突，这时还需要多无人飞行器间进行决策结果的协商，以消除矛盾和冲突。这种协同方法主要存在协商时间过长，有时甚至难以达成一致目标的问题，影响到决策和协同的及时性。
[0007]目前，多无人飞行器协同作战过程中的协同主要是通过机载通信设备，向地面控制站传输战场态势信息，并获取来自地面控制站的指挥和控制信息，以此完成作战的协同，因此，这种机载通信设备不具有任何的协同功能，不是真正意义上的协同系统。当前，对无人飞行器机载协同系统的研究还是空白。
[0008]
【发明内容】
:
本发明的目的在于克服现有协同方法的不足，提供一种基于工作流的多无人飞行器协同方法及相应的机载协同系统。
工作流，就是为实现某一特定目标而必须完成的一些任务的序列及执行过程，它包括一组活动及其相互间的顺序关系，包括活动的启动和终止条件，以及对每个活动的描述。
工作流管理就是将现实世界中的业务过程转化为某种形式，并在此形式表示的驱动下完成工作流的执行和管理。
[0009]本发明基于工作流的多无人飞行器协同方法，其特征在于其包括以下步骤:
所有参与协同的无人飞行器在起飞或发射前，即开始协同之前，设置相同的工作流、决策方法和战场态势；
无人飞行器协同作战工作流所包括的活动分为两类:一类是协同决策，另一类是单机任务规划；
战场态势包括如下信息:本无人飞行器的编号、飞行状态、作战能力状态、当前活动状态、以及相应状态产生的时刻，所有其它参与协同的无人飞行器的编号、飞行状态、作战能力状态、当前活动状态、以及相应状态产生的时刻，所有敌方目标的状态、以及检测到该状态的时刻和无人飞行器编号；
协同开始后，工作流管理设备执行活动的迁移，并确定当前活动的类型；
响应于当前活动是协同决策类型，则首先同步战场态势，直到所有参与协同的无人飞行器存储的战场态势一致后，才能进入决策，决策过程可以描述为:
V = ？⑴
其中，？为决策方法，X为战场态势，V为决策结果。由于所有参与协同的无人飞行器初始设置的决策方法？相同，在决策前同步战场态势，使得所有参与协同的无人飞行器存储的战场态势X是一致的，因此，对于所有参与协同的无人飞行器而言，决策产生的决策结果V是相同的；决策完毕，继续活动迁移；
响应于当前活动是单机任务规划类型，则依据决策结果和本无人飞行器存储的战场态势对本无人飞行器的任务进行规划，并控制本无人飞行器相关设备执行任务，任务执行完毕，修改和维护本无人飞行器存储的战场态势中由于执行任务而相应变化的状态，之后，继续活动迁移；
上述同步战场态势的步骤为:
通过接收器接收信号；
响应于没有接收到信号，分析本无人飞行器存储的战场态势，判断是否所有参与协同的无人飞行器均处于相同的协同决策活动状态；
响应于接收到信号，且接收到的信号至少部分反映了较新的战场态势，则将其中的较新信息融合至本无人飞行器存储的战场态势中，分析战场态势，判断是否所有参与协同的无人飞行器均处于相同的协同决策活动状态；
响应于接收到信号，且接收到的信号完全不能反映较新的战场态势，则分析本无人飞行器存储的战场态势，判断是否所有参与协同的无人飞行器均处于相同的协同决策活动状态；
响应于所有参与协同的无人飞行器的当前活动状态均为相同的协同决策活动，说明所有参与协同的无人飞行器存储的战场态势达到了一致，则依据本无人飞行器存储的战场态势进行决策；
响应于所有参与协同的无人飞行器的当前活动状态不是相同的协同决策活动，说明所有参与协同的无人飞行器存储的战场态势未达到一致，则发送本无人飞行器存储的战场态势，继续通过接收器接收信号；
上述判断接收到的信号是否反映较新战场态势的步骤为:
分析接收到的信号所代表的一系列对象信息，包括:参与协同的无人飞行器的编号、飞行状态、作战能力状态、当前活动状态、以及相应状态产生的时刻，敌方目标的状态、以及检测到该状态的时刻和无人飞行器编号；
提取本无人飞行器存储的战场态势中的相应对象信息，并逐条对比接收到的对象信息和战场态势中相应的对象信息，哪个信息产生的时间新，则相应的信息能代表较新的战场态势；
[0010]基于工作流的无人飞行器机载协同系统，其特征在于其包括工作流管理设备(1)、决策规划设备(2)、无线射频设备(3)、天线(4)、感知设备(5)、战场态势分析与维护设备
(6)、单机任务执行设备(7),无线射频设备(3)包括发送器和接收器，决策规划设备(2)包括协同决策模块和单机任务规划模块；
决策规划设备(2)分别连接工作流管理设备(11无线射频设备(3)、感知设备(5)、战场态势分析与维护设备出)、单机任务执行设备(7),无线射频设备(3)连接天线(4)；
工作流管理设备(1)用于对无人飞行器的工作流设置以及活动的迁移进行管理，并根据当前活动的类型，触发决策规划设备(2)中相应的模块，即，协同决策模块或单机任务规划模块；决策规划设备(2)用于对决策方法的设置进行管理；
决策规划设备(2)中的协同决策模块首先利用无线射频设备(3)的发送器和接收器进行战场态势的同步，当检测到所有参与协同的无人飞行器的当前活动状态均为相同的协同决策活动，说明所有无人飞行器维护的战场态势是一致的，再根据本无人飞行器存储的战场态势进行决策，从而确保了对于所有参与协同的无人飞行器而言，决策结果是一致的；决策规划设备(2)中的单机任务规划模块依据决策结果和本无人飞行器存储的战场态势，对本无人飞行器的任务进行规划，规划结束，依据规划结果控制本无人飞行器的单机任务执行设备(7)、感知设备(5)、战场态势分析与维护设备(6)等相关设备执行相应的动作；
战场态势分析与维护设备(6)用于对本无人飞行器存储的战场态势的设置、分析、修改和维护进行管理。
[0011]本发明同已有技术相比可产生如下积极效果:所有参与协同的无人飞行器在预先设定的工作流框架下执行任务活动，在执行协同决策类型的活动时，首先同步战场态势，所有无人飞行器维护的战场态势一致后，基于本无人飞行器存储的战场态势进行决策，从而确保了所有参与协同的无人飞行器的决策结果相同，无人飞行器间无需继续协商决策结果。本发明提供的协同方法和基于地面控制站的协同方法相比，无人飞行器在协同作战过程中，不再依赖于地面控制站的决策和指挥，无需和地面控制站进行任何信息的传输，减少了决策和行动的时间延迟；和基于中心节点的协同方法相比，克服了战场环境下由于中心节点的失效或被击落而导致的重新选择中心节点的时间延迟；和基于多无人飞行器间协商的协同方法相比，只需在决策前共享战场态势，无需协商决策结果，因而，简化了协同交互信息，加快了协同速度。
[0012]本发明提供的基于工作流的无人飞行器机载协同系统，在无人飞行器起飞或发射前，对所有参与协同的无人飞行器的协同系统设置相同的工作流、决策方法和战场态势。协同作战过程中，通过工作流管理设备管理活动的迁移，根据当前活动的类型，调用决策规划设备中的相应模块。在执行协同决策活动时，首先同步战场态势，战场态势一致后，才能进行决策，从而确保无人飞行器间无需协商决策结果，而获得一致的决策结果。和现有的机载通信系统相比，提供了一种真正意义上的机载协同系统。
[0013]图1是基于工作流的无人飞行器机载协同系统的架构图；
图2是基于工作流的多无人飞行器协同方法的流程图；
[0014]【具体实施方式】:下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细说明:
实施例:基于工作流的无人飞行器机载协同系统(参见图1),它包括工作流管理设备
1、决策规划设备2、无线射频设备3、感知设备5、战场态势分析与维护设备6、单机任务执行设备7、天线4，无线射频设备3包括发送器和接收器，决策规划设备2包括协同决策模块和单机任务规划模块；决策规划设备2分别连接工作流管理设备1、无线射频设备3、感知设备
5、战场态势分析与维护设备6、单机任务执行设备7，无线射频设备3连接天线4 ；
所有参与协同的无人飞行器在起飞或发射前，即开始协同前，通过工作流管理设备1设置相同的工作流，通过决策规划设备2设置相同的决策方法，通过战场态势分析与维护设备6设置相同的战场态势；
开始协同后，工作流管理设备1管理活动的迁移，并判断当前活动的类型；如果确定当前活动是协同决策类型，则调用决策规划设备2的协同决策模块；如果确定当前活动是单机任务规划类型，则调用决策规划设备2的单机任务规划模块；
决策规划设备2的协同决策模块通过无线射频设备3的发送器和接收器发送接收战场态势，以同步战场态势，直到所有参与协同的无人飞行器的当前活动状态均为相同的协同决策活动后，才能进入决策，决策完毕，控制权返回工作流管理设备1，继续活动迁移；
决策规划设备2的单机任务规划模块依据决策结果和本无人飞行器存储的战场态势对本无人飞行器的任务进行规划，规划结束，依据规划结果控制本无人飞行器的相关设备(感知设备5、战场态势分析与维护设备6、单机任务执行设备7等)执行相应动作，执行完毕，控制权交给战场态势分析与维护设备6，战场态势分析与维护设备6修改和维护本无人飞行器存储的战场态势中由于本无人飞行器执行任务而相应变化的状态，完毕，控制权返回工作流管理设备1，继续活动迁移；
[0015]基于工作流的多无人飞行器协同方法(参见图2)，它包括如下步骤:
在步骤10，开始协同前，为所有无人飞行器设置相同的工作流、决策方法和战场态势，工作流中的活动包括两类，一类是协同决策，另一类是单机任务规划；
在步骤11，协同开始，对活动迁移进行管理；
如果在步骤12确定当前活动为协同决策类型，则进入步骤14 ；如果在步骤12确定当前活动为单机任务规划类型，则进入步骤15 ；
在步骤14，通过接收器接收信号；
如果在步骤16确定接收到信号，则进入步骤17 ；如果在步骤16确定没有接收到信号，则进入步骤18 ；
如果在步骤17确定接收到的信号至少部分是较新的战场态势，则进入步骤19 ；如果在步骤17确定接收到的信号完全不是较新的战场态势，则进入步骤18 ；
在步骤19，将接收到的信号中较新的战场态势部分融合至本无人飞行器存储的战场态势中，完毕，进入步骤18；
在步骤18，分析本无人飞行器存储的战场态势，如果所有参与协同的无人飞行器的当前活动状态均为相同的协同决策，则进入步骤13 ；如果所有参与协同的无人飞行器的当前活动状态不是相同的协同决策活动，则进入步骤22 ；
步骤13，根据本无人飞行器存储的战场态势，执行决策，完毕，返回步骤11 ；
在步骤22，通过发送器发送本无人飞行器存储的战场态势，发送完毕，返回步骤14 ；在步骤15，依据决策结果和本无人飞行器存储的战场态势，规划和控制本无人飞行器的任务执行，执行完毕，进入步骤20 ；
在步骤20，确定本无人飞行器任务的执行是否产生或改变了本无人飞行器的状态以及感知到的目标状态，如果是，则进入步骤21 ；否则，返回步骤11 ；
在步骤21，将本无人飞行器改变的状态以及感知到的目标信息融合到本无人飞行器存储的战场态势中，返回步骤11。
【权利要求】
1.基于工作流的多无人飞行器协同方法，其特征在于其包括以下步骤: 所有参与协同的无人飞行器在起飞或发射前，即开始协同前，设置相同的工作流、决策方法和战场态势，工作流中的活动包括两类，一类是协同决策，另一类是单机任务规划；开始协同后，工作流管理设备管理活动的迁移，并确定当前活动的类型； 响应于当前活动是协同决策类型，则首先同步战场态势，直到所有参与协同的无人飞行器存储的战场态势一致后，才能基于本无人飞行器存储的战场态势进行决策，决策完毕，继续活动迁移； 响应于当前活动是单机任务规划类型，则依据决策结果和本无人飞行器存储的战场态势规划本无人飞行器的任务，并控制本无人飞行器相关设备执行任务，任务执行完毕，修改和维护本无人飞行器存储的战场态势中由于执行任务而相应变化的状态，之后，继续活动迁移； 上述同步战场态势的步骤为: 通过接收器接收信号； 响应于没有接收到信号，依据本无人飞行器存储的战场态势，判断是否所有参与协同的无人飞行器均处于相同的协同决策活动状态； 响应于接收到信号，且接收到的信号至少部分反映了较新的战场态势，则将其中的较新信息融合至本无人飞行器存储的战场态势中，分析本无人飞行器存储的战场态势，判断是否所有参与协同的无人飞行器均处于相同的协同决策活动状态； 响应于接收到信号，且接收到的信号全部不能反映较新的战场态势，则分析本无人飞行器存储的战场态势，判断是否所有参与协同的无人飞行器均处于相同的协同决策活动状态； 响应于所有参与协同的无人飞行器的当前活动状态均为相同的协同决策活动，则依据本无人飞行器存储的战场态势进行决策； 响应于所有参与协同的无人飞行器的当前活动不是相同的协同决策活动，则发送本无人飞行器存储的战场态势，继续通过接收器接收信号； 上述判断接收到的信号是否反映较新战场态势的步骤为: 分析接收到的信号所代表的一系列对象信息，包括:参与协同的无人飞行器的编号、飞行状态、作战能力状态、当前活动状态、以及相应状态产生的时刻，敌方目标的状态、以及检测到该状态的时刻和无人飞行器编号； 提取本无人飞行器存储的战场态势中的相应对象信息，并逐条对比接收到的对象信息和战场态势中相应的信息，哪个信息产生的时间新，说明相应的信息代表了较新的态势。
2.基于工作流的无人飞行器机载协同系统，其特征在于其包括工作流管理设备(I)、决策规划设备(2)、无线射频设备(3)、感知设备(5)、战场态势分析与维护设备(6)、单机任务执行设备(7)、天线(4)，无线射频设备(3)包括发送器和接收器，决策规划设备(2)包括协同决策模块和单机任务规划模块； 决策规划设备(2)分别连接工作流管理设备(I)、无线射频设备(3)、感知设备(5)、战场态势分析与维护设备出)、单机任务执行设备(7)，无线射频设备(3)连接天线(4)； 工作流管理设备(I)用于对无人飞行器的工作流设置以及活动的迁移进行管理，并根据当前活动的类型，触发决策规划设备(2)中相应的模块，即，协同决策模块或单机任务规划模块；决策规划设备(2)用于对决策方法的设置进行管理； 决策规划设备(2)中的协同决策模块首先利用无线射频设备的发送器和接收器进行战场态势的同步，直到所有参与协同的无人飞行器的当前活动均为相同的协同决策活动，则根据本无人飞行器存储的战场态势进行决策，从而确保决策的结果对于所有无人飞行器是一致的； 决策规划设备(2)中的单机任务规划模块依据决策结果和本无人飞行器存储的战场态势，对本无人飞行器的任务进行规划，根据规划结果控制本无人飞行器的单机任务执行设备(7)、感知设备(5)、战场态势分析与维护设备(6)等相关设备执行相应的动作； 战场态势分析与维护设备(6)用于对本无人飞行器存储的战场态势的设置、分析、修改和维护进行管理。
【文档编号】G05D1/08GK104298242SQ201410154104
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】曹文静, 徐胜红, 张毅, 韩庆田, 李连, 崔嘉, 苏涛, 李文强 申请人:中国人民解放军海军航空工程学院